专利名称：一种泥岩密度测定的方法
技术领域：
本发明涉及一种泥岩密度测定的方法，可用于石油钻探过程中泥岩密度的测定，也可用于其他领域中测量小体积不溶于水的物质的密度，属于密度测定技术领域。
背景技术：
在石油钻井过程中，异常的地层孔隙压力对于油井是极危险的，有可能会造成井涌、井喷、井漏、井径收缩、卡钻等事故，存在异常地层孔隙压力的钻达地层的泥岩特征表现为泥岩密度降低，偏离泥岩密度正常趋势线。因此，可以用测定泥岩密度的方法来预测地层异常孔隙压力，通过实时测定泥岩密度了解钻达地层的压力变化及预测可能存在的压力异常层。
依据密度公式d＝m/V(d密度；m质量；V体积)，传统的密度计算方法一般通过直接测量物体的质量和体积，再根据密度公式计算出物体的密度，测量小体积物体的仪器价格昂贵，所以一般通过物理模型的转换，间接通过测量相关的线性位移、力等参数求得物体的体积。然后，通过比值求得密度。
如图1所示，为传统泥岩密度测定仪结构原理图，测定仪由上盘1、下盘2、均匀圆柱形钢丝3、浮子4、镇定锤5及圆柱形容器6组成，圆柱形容器6用于盛纯水，镇定锤5用于保证测量件在整个测量过程中始终垂直于圆柱形容器6底部，在整个测量过程中必须保证上盘1始终露于空气中，上盘1用来测量被测物体对应的由圆柱形钢丝排开的纯水的质量，在整个测量过程中必须保证下盘2始终浸没在纯水中，下盘用于测量被测物体完全浸没时所排开的纯水的体积，测试方法为设下盘、浮子和镇定锤的总体积为V0，质量为m0；如图1所示的浸没于纯水中的均匀圆柱形钢丝的长度为L0，标样的质量为ms，体积为Vs。
下盘、浮子和镇定锤的重量为G0＝m0×g；根据“阿基米德定律”有F浮0＝ρ水×g×(V0+S0×L0)；
根据力平衡定律m0×g＝ρ水×g×(V0+S0×L0)——(1)圆柱形容器内纯水的体积为T＝S1×h-S0×L0-V0——(2)如图2所示，标样放置于上盘后，系统的重力增大，均匀钢丝在增加的重力作用下排开更多的水以增加系统浮力，使得水面上升，均匀钢丝浸没的长度增加。
加上标样后的重量为G1＝(m0+ms)×g；根据“阿基米德定律”有F浮1＝ρ水×g×[V0+S0×(L0+L1+L1’)]；根据力平衡定律(m0+ms)×g＝ρ水×g×[V0+S0×(L0+L1+L1’)]—(3)将式(1)带入式(3)得ms＝ρ水×S0×(L1+L1’)——(4)圆柱形容器内纯水的体积为T＝S1×(h+L1’)-S0×(L0+L1+L1’)-V0；将式(2)带入上式得L1’＝S0×L1/(S1-S0)————(5)如图3所示，标样放置于下盘后，系统的重力增大，均匀钢丝在增加的重力作用下排开更多的水，加上标样本身体积所排开的水，使得系统浮力增加，水面上升，均匀钢丝浸没的长度增加。
加上标样后的重量为G2＝(m0+ms)×g；根据“阿基米德定律”有F浮2＝ρ水×g×[V0+Vs+S0×(L0+L2+L2’)]；根据力平衡定律(m0+ms)×g＝ρ水×g×[V0+Vs+S0×(L0+L2+L2’)]；将式(3)带入上式得S0×(L1+L1’)＝Vs+S0×(L2+L2’)—(6)圆柱形容器内纯水的体积为T＝S1×(h+L2’)-S0×(L0+L2+L2’)-V0-Vs；将式(2)带入上式得L2’＝(S0×L2+Vs)/(S1-S0)——(7)将式(5)带入式(4)得ms＝ρ水×S0×S1×L1/(S1-S0)—(8)将式(5)、(7)带入式(6)得Vs＝S0×(L1-L2)——(9)根据密度公式，将式(8)除以式(9)得到标样的密度ds＝ms/Vs＝[S1/(S1-S0)]×ρ水×L1/(L1-L2)————(10)实际中我们取均匀钢丝的截面积S0远小于圆柱形容器内截面积S1(如取均匀钢丝的直径为2mm，圆柱形容器的内截面积为100mm)，求得S1/(S1-S0)＝1.0004，在我们要求的精度范围内可以认为1。又因为纯水的ρ水＝1克/厘米3。所以这套测量装置的理论公式可以简化为ds＝ms/Vs＝L1/(L1-L2)，即通过测量上盘直线位移L1、L2，可以方便地求得泥岩样本的密度。
理论上只要调节浮子的材料、体积和测量件的质量，就能适当地增加上盘直线位移的测量分度，进而达到技术指标上要求的测量精度，然而传统的泥岩密度测定仪利用标样在上下盘排开的水体积不同(圆柱形容器水位变化)，求得标样的质量和体积相对于纯水的比值。均要求钢丝的截面积远小于圆柱形容器的内截面积，这就使得要求的纯水量大，且整个仪器的体积过大，圆柱形容器的内径就达100mm，又由于传统的泥岩密度测定仪采用目测的方式进行上盘直线位移的测量，肉眼观测本身就存在较大的差异和误差所以较难达到精度指标，而且操作较为繁琐，采用目测方式进行读数使得测量精度较难保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量容器不必很大且测量精确的泥岩密度测定的方法。
为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种泥岩密度测定仪，包括上盘、下盘、钢丝、容器，钢丝垂直连接上下相互平行的上盘和下盘，上盘设于容器的上端，露在空气中，下盘浸没在容器内的纯水中，其特征在于，在钢丝的顶端设有拉力感应装置，所述的容器的壁上设有自溢口，在容器下设有容器。
一种泥岩密度测定的方法，其特征在于，采用泥岩密度测定仪测定的方法，其方法为第一步在泥岩密度测定仪的容器中倒入纯水至自溢口；第二步设测量件的质量为m0，浸没在纯水中的下盘和部分钢丝的体积为V0，测量件的重量为G0＝m0×g；第三步用泥岩密度测定仪的拉力感应装置测得拉力；T0为此刻拉力感应装置感应到的拉力，则F0＝T0+ρ水×g×V0；根据力平衡原理m0×g＝T0+ρ水×g×V0————(11)第四步在上盘上放上标样，设标样的质量为ms，体积为Vs，标样加测量件的重量为G1＝(m0+ms)×g；第五步再用泥岩密度测定仪的拉力感应装置测得拉力；T1为此刻拉力传感器感应到的拉力，则F1＝T1+ρ水×g×V0；根据力平衡原理(m0+ms)×g＝T1+ρ水×g×V0————(12)
将式(11)带入式(12)得ms＝(T1-T0)/g————(13)第六步在下盘上放上标样，水从自溢口(8)流入容器，标样加测量件的重量为G2＝(m0+ms)×g；第七步再用泥岩密度测定仪的拉力感应装置测得拉力；T2为此刻拉力传感器感应到的拉力，则F2＝T2+ρ水×g×(V0+Vs)；根据力平衡原理(m0+ms)×g＝T2+ρ水×g×(V0+Vs)；将式(12)带入上式得Vs＝(T1-T2)/ρ水×g————(14)第八步根据密度公式，将式(12)除以式(14)得到标样的密度ds＝ms/Vs＝ρ水×(T1-T0)/(T1-T2)————(15)。
本发明采用拉力感应装置通过传感器测得钢丝的拉力，根据力的平衡，将输出的信号进行处理和理论运算就可以方便地实现测量泥岩样品的密度，同时被测物放入水中，往上升的水可从自溢口流出，这样测试装置就可以不必很大。
本发明的优点是测量容器不必很大且测量精确。
图1为传统的泥岩密度测定仪结构示意图；图2、3为用传统的泥岩密度测定仪测试示意图；图4为本发明的一种泥岩密度测定仪结构示意图；图5、6为用本发明的一种泥岩密度测定仪测试示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例如图4所示，为一种泥岩密度测定仪结构示意图，所述的泥岩密度测定仪由上盘1、下盘2、钢丝3、容器6、拉力感应装置7组成，钢丝3垂直连接上下相互平行的上盘1和下盘2，上盘1设于容器6的上端，露在空气中，下盘2浸没在容器6内的纯水中，在钢丝3的顶端设有拉力感应装置7，所述的容器6的壁上设有自溢口8，容器6装在容器9里，容器6带自溢口8为了保持纯水的液面，拉力感应装置7为外购件，包括拉力即称重传感器、预放、信号处理和拉力显示模块，主要部件为一个高精度的拉力传感器，该传感器的最大特点是感应拉力时并不产生测量件垂直方向上的直线位移，上盘1用于测量标样的质量，在整个测量过程中必须保证上盘露在空气中，下盘2用于测量由于排开标样体积的水产生的浮力，来间接测量标样的体积，在整个测量过程中必须保证下盘2始终浸没在纯水中。
一种泥岩密度测定的方法为第一步如图4所示，在泥岩密度测定仪的容器6中倒入纯水至自溢口8；第二步设测量件的质量为m0，浸没在纯水中的下盘2和部分钢丝的体积为V0，测量件的重量为G0＝m0×g；第三步用泥岩密度测定仪的拉力感应装置7测得拉力，拉力感应装置7中的拉力传感器选择量程为50mg，分度为0.01mg；T0为此刻拉力感应装置7感应到的拉力，则F0＝T0+ρ水×g×V0；根据力平衡原理m0×g＝T0+ρ水×g×V0————(11)第四步如图5所示，在上盘1上放上标样10，设标样10的质量为ms，体积为Vs，标样10加测量件的重量为G1＝(m0+ms)×g；第五步再用泥岩密度测定仪的拉力感应装置7测得拉力；T1为此刻拉力传感器感应到的拉力，则F1＝T1+ρ水×g×V0；根据力平衡原理(m0+ms)×g＝T1+ρ水×g×V0————(12)将式(11)带入式(12)得ms＝(T1-T0)/g————(13)第六步在下盘2上放上标样10，水从自溢口8流入容器9，标样10加测量件的重量为G2＝(m0+ms)×g；第七步如图6所示，再用泥岩密度测定仪的拉力感应装置7测得拉力；T2为此刻拉力传感器感应到的拉力，则F2＝T2+ρ水×g×(V0+Vs)；根据力平衡原理(m0+ms)×g＝T2+ρ水×g×(V0+Vs)；将式(12)带入上式得Vs＝(T1-T2)/ρ水×g————(14)第八步根据密度公式，将式(12)除以式(14)得到标样的密度ds＝ms/Vs＝ρ水×(T1-T0)/(T1-T2)————(15)。
权利要求
1.一种泥岩密度测定仪，包括上盘(1)、下盘(2)、钢丝(3)、容器(6)，钢丝(3)垂直连接上下相互平行的上盘(1)和下盘(2)，上盘(1)设于容器(6)的上端，露在空气中，下盘(2)浸没在容器(6)内的纯水中，其特征在于，在钢丝(3)的顶端设有拉力感应装置(7)，所述的容器(6)的壁上设有自溢口(8)，在容器(6)下设有容器(9)。
2.一种泥岩密度测定的方法，其特征在于，采用泥岩密度测定仪测定的方法，其方法为第一步在泥岩密度测定仪的容器(6)中倒入纯水至自溢口(8)；第二步设测量件的质量为m0，浸没在纯水中的下盘(2)和部分钢丝的体积为V0，测量件的重量为G0＝m0×g；第三步用泥岩密度测定仪的拉力感应装置(7)测得拉力；T0为此刻拉力感应装置(7)感应到的拉力，则F0＝T0+ρ水×g×V0；根据力平衡原理m0×g＝T0+ρ水×g×V0——————(11)第四步在上盘(1)上放上标样(10)，设标样(10)的质量为ms，体积为Vs，标样(10)加测量件的重量为G1＝(m0+ms)×g；第五步再用泥岩密度测定仪的拉力感应装置(7)测得拉力；T1为此刻拉力传感器感应到的拉力，则F1＝T1+ρ水×g×V0；根据力平衡原理(m0+ms)×g＝T1+ρ水×g×V0——————(12)将式(11)带入式(12)得ms＝(T1-T0)/g——————(13)第六步在下盘(2)上放上标样(10)，水从自溢口(8)流入容器(9)，标样(10)加测量件的重量为G2＝(m0+ms)×g；第七步再用泥岩密度测定仪的拉力感应装置(7)测得拉力；T2为此刻拉力传感器感应到的拉力，则F2＝T2+ρ水×g×(V0+Vs)；根据力平衡原理(m0+ms)×g＝T2+ρ水×g×(V0+Vs)；将式(12)带入上式得Vs＝(T1-T2)/ρ水×g——————(14)第八步根据密度公式，将式(12)除以式(14)得到标样的密度ds＝ms/Vs＝ρ水×(T1-T0)/(T1-T2)——————(15)。
全文摘要
本发明涉及一种泥岩密度测定仪，包括上盘、下盘、钢丝、容器，钢丝垂直连接上下相互平行的上盘和下盘，上盘设于容器的上端，露在空气中，下盘浸没在容器内的纯水中，其特征在于，在钢丝的顶端设有拉力感应装置，所述的容器的壁上设有自溢口。本发明采用拉力感应装置通过传感器测得钢丝的拉力，根据力的平衡，将输出的信号进行处理和理论运算就可以方便地实现测量泥岩样品的密度，同时被测物放入水中，往上升的水可从自溢口流出，这样测试装置就可以不必很大。
文档编号G06F19/00GK101046436SQ200610025348
公开日2007年10月3日 申请日期2006年3月31日 优先权日2006年3月31日
发明者袁建新, 邱善乐 申请人:上海神开石油科技有限公司